310t/h循环流化床锅炉自动控制系统的设计及DCS的应用

    循环流化床(CFB)由于其优越性能，已越来越多地在我国中小电厂获得应用。首先CFB锅炉的燃放效率很高、燃用的各种低质煤的范围更宽、在炉内用更少的石灰石可取得更佳的脱硫效果；其次运行温度的降低减少了结渣的可能性，并使得NOx排放更少，产生更少的污染物；由于燃料在炉膛内停留的时间更长，使热效果更佳；由于烟气速度和固体携带量之间的适当关系而使CFB锅炉可以在很宽的负荷范围内运行。另外，燃烧后排出的灰、渣还可以综合利用，因此引起了国内外的广泛关注和重视。下面就上海石化热电总厂310t/h循环流化床锅炉的自动控制系统部分作一介绍。
一、主要控制系统的分析及应用
    一台300t/h CFB锅炉的I/O有1500～1700点，如此多的I/O点采用常规控制系统是难以实现的。再加上控制功能多，要求安全可靠，实践证明只有选用DCS才能胜任。CFB锅炉必须确保按规定顺序进行开、停车，和安全经济运行，由此确定了DCS中的顺序控制和自动调节。
1.1 顺序控制完成的任务
    (1)CFB锅炉的启动和停止
    CFB锅炉的启动步骤见启动程序(表1)。该回路不仅要保证按表1的步骤开、停车，还必须具有启动过程中出现故障具有诊断和报警功能，以使操作人员迅速消除故障，尽快开车。例如启动任一辅助设备时，在规定时间内不开车，马上显示报警。
                                    
    (2)燃烧器管理系统(BMS或FSSS)，主要是安全连锁系统。
    在启动和正常运行时，CFB锅炉出现故障，首先将主燃料跳闸。如当烟气温度在485℃及以上出现汽包水位低限，立即实现MFT，以确保锅炉安全，避免损坏设备。
1.2 自动调节系统完成的任务保证蒸汽质量指标和经济运行
    锅炉的调节区域可划分成的独立区域有：汽包水位调节区域、过热汽温调节区域、燃烧调节区域和含盐量调节区域。目前，炉水含盐量的控制大都采用人工定期排污和连续排污来解决。为此，CFB锅炉的调节只有汽包水位、过热汽温和燃料区域。CFB锅炉控制包括如下控制功能组：锅炉主控、燃料量控制、空气流量控制、床温控制、石灰石流量控制、炉膛压力控制、启动燃烧器控制、给水控制、主蒸汽温度控制、启动燃烧器控制、给水控制、主蒸汽温度控制、除氧器水位、压力控制等。图1为整个机组自动调节系统的概要设计，下面就锅炉侧主要控制系统作具体介绍。
                
1.2.1 锅炉主控系统
      锅炉主控系统为一定值控制系统，以控制主蒸汽母管压力pm为目标。锅炉母管压力作为主调信号，采用经动态补偿后的能量平衡信号P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt为锅炉控制回路的前馈信号，其中P1为汽机调速级后的汽压，PT为机前压力，两者的比值P1/PT与汽机调节阀开度成正比，并且克服了由于调门的回差和不灵敏所造成的非线性对阀门开度信号的影响。在额定控制参数下，汽机的用汽量与阀门的开度成正比，对于抽汽机组，无论汽功率的变化还是电功率的变化，都反映到汽机调门的变化。机前压力设定值Ps的改变，反映了锅炉能量需求的变化。k*d(P1*Ps/PT)/dt信号代表了储能元件(汽包)对燃料的需求。因此P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt信号即能反映汽机用汽量对燃料的需求，也反映了锅炉参数变化对燃料的需求，同时满足了锅炉储能元件对燃料的需求。这样构成的前馈加反馈复合控制方式可以最快地响应压力的需求，满足汽机用汽量对锅炉的要求。
     分析研究P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt与主汽流量作为前馈可以看到主要的差别：如采用主汽流量作为前馈信号时，当由于燃烧率变化而引起内扰时，主汽流量的前馈将形成一个正作用，反而加剧了机组的自发性扰动。而以P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt信号作为前馈信号的锅炉主控系统则只有在负荷扰动时才对燃烧作出快速反应，提前作用于风量和燃料量控制单元，以克服被控对象的滞后和惯性。而燃料出现扰动时P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt不变，这一点对于稳定燃烧非常重要。
1.2.2 总风量调节
    总风量调节作为风量的主控调节器满足总风量和氧量的控制，向锅炉燃烧二次风和流化一次风发出风量指令。
    总风量调节接受锅炉主控指令信号并经风煤交叉联锁回路向风量主控器发出风量指令信号，保证动态时加负荷先加风，减负荷先减煤。
1.2.3 燃料调节
    影响母管压力的主要因素是汽机调门的变化和燃料量的变化。采用P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt信号可以最快地克服汽机调门的变化对锅炉压力的影响。
    燃料对压力的影响取决于两点：燃料量的扰动；燃料热值的变化。
    (1) 燃料量的扰动
    系统控制方案采用两种控制策略克服燃料扰动：①快速的燃料响应回路。在循环炉中燃料采用直接测量的方式，可以快速消除由于燃料给料机工作不稳定所引起的燃料侧的扰动。②系统采用多输出控制回路。多输出控制回路由多输出控制器和设备的手动操作器构成。对于多执行器的控制系统，采用多输出系统具有以下优点：
    ·手自动切换平衡、无扰动；
    ·任一台给料机切手动、投自动不影响燃料指令的变化；
    ·多输出控制回路增益自动修正；
    ·给料机指令根据运行的给料机投自动的台数自动修正，保证了回路控制增益一定。
     各操作回路的偏置控制。在自动工况下可以设置给料机指令的偏置改变各给料机的负荷分配而不影响燃料指令。
    (2) 燃料热值的变化
    为了克服燃料热值变化引起燃料的扰动，系统内部设计燃料热值自动补偿的控制回路。在自动补偿回路中，采用霍尼韦尔公司的蒸汽流量与给水温度对锅炉燃料的函数曲线进行修正，最快地克服由于燃料变化对系统控制参数的影响。
    方案里还设计了采用P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt作为锅炉指令信号、P1+d(Pd/dt)作反馈信号的控制系统，其中pd为汽包压力。分析如下：
    (1) P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt代表了汽机用汽量对燃料的需求，而 P1+d(Pd/dt)不仅反映了燃料量的变化，而且反映了燃料质——“热值”的变化。
    (2) 在燃料控制器入口：P1*Ps/PT+k*d(P1*Ps/PT)/dt=P1+d(Pd/dt)
    稳态时令d(P1*Ps/PT)/dt和dPd/dt为0，有：
    P1*Ps/PT=P1
    所以有关系PT=Ps，保证了主汽压力。
1.2.4  一次风量调节
    由总风量调节输出的一次风量指令经床温控制器的修正作为一次风量调节器的设定值，调节器的输出控制一次风机入口导叶，维持锅炉所需的输出控制一次风量。一次风主要用于流化炉膛中的床料。
1.2.5  二次风量调节
    锅炉总风量调节输出的二次风量指令经氧量控制器和床温控制器的修正作为调节器的设定值，调节器的输出分两路控制上部二次风流量挡板和下部二次风流量挡板。
1.2.6 二次风压调节
    二次风的调整是二段控制方式，以控制上部二次风控制挡板和下部二次风控制挡板保证二次风流量，调节风机入口导叶控制二次风压力。
1.2.7 氧量调节
    氧气量调节主要采用风、煤比的静态平衡关系加上氧量控制器的修正实现氧量调节。
    在整个负荷范围内氧量不是一个定值调节，系统引入表征锅炉负荷的蒸汽流量经函数运算并经给定修正后作为调节器的设定值。调节器的输出分两路修正上部二次风流量和下部二次风流量的指令。
1.2.8 床温调节
    该控制系统的任务是将床温控制在850℃～900℃，以保证流化床稳定燃料，使石灰石与燃料中的硫充分发生反应，达到最佳脱硫效果。系统设计的主要思想是：床温控制以静态标定的一、二次风为基础，床温控制器进行动态修正。控制器的输出调整一、二次风的配比。
1.2.9 一次风暖风器出口风温调节
    该调节的目的是防止一次风温度低于露点而腐蚀空预器管道。通过改变进入一次暖风器辅助蒸汽管道上的调节阀开度来调节一次风暖风器出口温度。
1.2.10 二次风暖风器
    该调节的目的是防止二次风温度低于露点而腐蚀空预器管道。通过改变进入二次暖风器辅助蒸汽管道上的调节阀开度来调节二次风暖风器出口温度。
1.2.11 煤/石油焦量调节
    根据锅炉主控系统燃料指令，调节煤/石油焦给料机给料速度，从而达到煤/石油焦量调节。
1.2.12 石灰石调节
    CFB锅炉的主要特点是炉床温度控制在850℃～900℃时，向燃烧室加石灰石CaCO3，将煤中硫燃烧后生成的SO2与CaO反应后生成硫酸钙(CaSO4)随灰渣排出炉外。该回路提供足够的石灰石以维持SO2排放量低于环境所规定的要求。
    与煤矸石相比，石油焦水分、灰分少，而发热量较高，要保证床温的可调性，石灰石的投入就更为关键。在该控制系统中，预先确定的钙/硫比通过乘法器而得到石灰石与燃料的配比，在经SO2量校正补偿后，此信号作为石灰石调节器的给定信号。调节石灰石旋转给料机的转速，从而达到石灰石给量调节。
二、结 语
    金山石化热电总厂循环流化床机组已于2002年2月底完成了锅炉点火、机组冲转和并网工作。根据其在现场运行情况看，DCS系统较好地完成了系统调试和投运任务。